مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست

 

عنوان	صفحه
فصل اول : مقدمه
1-1 انواع ژنراتورها	1
1-2 پيشينه تاريخي	1
1-3 استانداردها و مشخصات	4
فصل دوم: تئوري ژنراتور سنكرون
2-1 القاي الكترومغناطيسي	6
2-2 سرعت، فركانس و زوج قطبها	7
2-3 بار، مقادير نامي و ضريب توان	8
2-4 MMF ، فلوي مغناطيسي	9
2-5 فازورهاي دوار	10
2-6 دياگرام فازوري	11
2-6-1 ولتاژ نامي، استاتور بدون جريان ، شرايط مدار باز	11
2-6-2 ولتاژ نامي، جريانت استاتور نامي و ضريب توان نامي	11
2-7 گشتاور	13
2-8 سيم پيچ سه فاز	13
2-9 هارمونيك ها: سيم پيچي توزيع شده و كسري	14
فصل سوم : روتور و استاتور
3-1 سيم پيچي روتور	18
3-2 دمنده ها	19
3-3 هسته استاتور	20
3-4 سيم پيچي استاتور	20
فصل چهارم : سيستم هاي خنك كن
4-1 خنك كن هيدروژني	21
4-2 سيستم خنك كن هيدروژني	22
4-3 سيستم خنك كن آبي سيم پيچ استاتور	30
4-4 سيستم هاي خنك كن ديگر	36
فصل پنجم: توربوژنراتور TY105
5-1 اصل ماشين سنكرون	38
5-2 تشريح ژنراتور	39
5-2-1 دورنمايي از ژنراتور	39
5-2-2 استاتور	39
5-2-3 سيم پيچ استاتور	40
5-2-4 روتور	43
5-2-5 هواكش هاي محوري(فن هاي محوري)	45
5-3 سيستم خنك كننده	45
5-3-1 مسير هوا خنك كن در استاتور	46
5-3-2 مسير هواي خنك در كنداكتورهاي روتور	46
5-3-3 فيلتر هاي جبران هوا	47
5-3-4 كولرها	47
5-4 ياتاقانها	48
5-5 رينگهاي لغزشي و نگهدارنده هاي ذغالي	49
منابع و مآخذ	61

 

فصل اول

مقدمه

1-1 انواع ژنراتورها

فركانس كار شبكه انتقال CEGB (كمپاني برق بريتانيا)، 50 هرتز مي باشد، بنابراين ژنراتورهاي سنكرون متصل به اين شبكه نيز در فركانس 50 هرتز كار مي كند. ژنراتورهاي بزرگتر اغلب در سرعت 3000 دور بر دقيقه و بوسيله توربينهاي بخار كار مي كنند و تعداد كمي از آنها سرعتشان 1500 دور بر دقيقه است. اين ژنراتورهاي سرعت بالا كه عموماً تحت عنوان توربين ژنراتورها از آن نام برده مي شود و داراي روتور استوانه اي[1] مي باشند. موضوع بحث اين فصل مي باشند. چنانچه منظور نوع ديگري از ژنراتورها باشد. صراحتاً ذكر مي گردد.

از مدتها قبل، واحدهاي استاندارد شده در شبكه CEGB، ژنراتورهاي با ظرفيت 500 و 660 مگاوات بوده اند. در اين ظرفيتها شش نوع طراحي مختلف انجام گرفته است كه هر كدام در طول زمان تغييرات ناچيزي نسبت به هم داشته اند. به هر حال اين ژنراتورها تا حد بسيار زيادي از نقطه نظر عمكرد بهم شبيه هستند و در صورتي كه يك نوع خاص داراي تفاوت فاحشي باشد، اين موضوع ذكر خواهد گرديد (رجوع شود به شكل 1-1). قسمت اعظم اين فصل به ژنراتورهاي با ظرفيت هاي ذكر شده پرداخته و تئوري كلي اي در مورد ژنراتورهاي سنكرون عنوان مي گردد. در انتهاي اين فصل توضيح مختصري راجع به انواع ديگر ژنراتورهاي مورد استفاده در CEGB داده خواهد شد.

1-2 پيشينه تاريخي

مزيت شبكه هاي توزيع AC بر DC در اواخر قرن نوزدهم مشخص گرديد و رشد سريع شبكه هاي AC به دنبال خود نياز به ژنراتورهاي AC را بدنبال داشت. ژنراتورهاي اوليه، ماشينهاي با سرعت پايين بودند كه بوسيله موتورهاي رسپيروكال[2] مي چرخيدند، ولي در حوالي سالهاي 1900 به بعد ژنراتورها مستقيماً بوسيله توربينهاي بخار[3] سرعت بالا به حركت در آمدند و پايه ماشينهاي مدرن امروزي را بنياد نهادند. روند پيشرفت عمدتاً در محرك ژنراتورها بوده است. توربين ژنراتورهاي اوليه هم بصورت محور عمودي و هم بصورت محور افقي ساخته مي شدند.

 

شكل 1-1 مقطع ژنراتور600 مگاواتي

از آنجا كه فشار بيشتري بر اتصالات محور نوع عمودي وارد مي شود، اين نوع ژنراتورها خيلي زود از رده خارج شدند. توسعه ژنراتورهاي با محور افقي بسيار سريع بود بطوري كه ژنراتورهاي از چند صد كيلووات تا 20 مگاوات در سالهاي 1912 ساخته شدند (رجوع شود به شكل 1-2).

شكل 1-2 ژنراتور20 مگاواتي خنك شده با هوا

بعد از اين سالها، افزايش در توان خروجي ژنراتورها تا حدودي محدود بود بطوري كه در دهه 1930، ژنراتورها داراي ظرفيت خروجي تا حداكثر 50 مگاوات بودند. فركانس برق توليدي در شبكه آمريكا، 60 هرتز است و نتيجتاً ژنراتورهاي سنكرون در آمريكا داراي سرعت بالاتري مي باشند؛ مثلاً در ماشينهاي دو قطبي اين سرعت برابر با 3600 دور بر دقيقه مي باشد. در اين سرعتها اصطلاك هوا سبب ايجاد تلفات بالاتري مي گردد و به همين دليل هيدروژن بخاطر غلظت كمترش به عنوان خنك كننده مناسب تر مورد استفاده قرار گرفت. در بريتانيا استفاده از ژنراتورهاي با خنك كن هيدروژني در سرعت 3000 دور بر دقيقه و ظرفيت خروجي 50 مگاوات در دهه 1950 متداول گرديد.

بعدها، جستجو در جهت روشهاي دفع حرارت موثر منجر به استفاه از هيدروژن در فشار بالاتر گرديد. قدم بعدي استفاده از روغن عايق و نهايتاً در بريتانيا استفاده از آب در تماس مستقيم با هادي سيم پيچيها بود. با اين تمهيدات، امكان ساخت ژنراتور با توان خروجي بالا مهيا گرديد تا بتواند پس از حمل و نصب بعنوان يك واحد تكي در نيروگاه مورد بهره برداري قرار گيرد كه عمدتاً هم از نظر اقتصادي و هم از نظر عمكلرد جالب بود (رجوع شود به شكل 1-3 ). با توجه به تاكيد مهمتري كه در سالهاي اخير بر قابليت اعتماد در طراحي و قابليت تعويض قطعات[4] گذاشته است، رشد افزايش توان خروجي و گامهاي توسعه در ژنراتورها، كندتر شده است.

شكل 1-3 توسعه وزن و سيستمهاي خنك ژنراتور

1-3 استانداردها و مشخصات

استاندارد بريتانيائي حاكم بر ژنراتورها، استاندارد 5000BS مي باشد كه در اغلب قسمت ها به استاندارد 4999BS برمي گردد. استاندارد بين المللي قابل مقايسه، استاندارد 34IEC مي باشد. استاندارد خاص توربين ژنراتورها، 5000BS و 34IEC است. اين استانداردها در برگيرنده مشخصات قابل قبول، مقادير دماها، ارتعاش ، نويز، ميزان عدم توازن در فازها[5]، محتواي هارمونيكي، محدوديتها و تولرانسها[6] در كنترل محرك و شرايط تست، به عنوان مثال حدود تست و فشار قوي، مي باشند. پارامترهاي ديگر از قبيل فشار سيستم روغن و حدود تست تلفات عايقي در استاندارهاي مختلف CEGB مشخص شده اند.

احتياجات خاص براي يك ژنراتور جديد در مشخصات خود ژنراتور گنجانده مي شود. اين مشخصات عمدتاً بستگي به محل نصب و وظيفه خاص ژنراتور دارد. به عنوان مثال مي توان به دماي آب خنك كن و ضريب توان اشاره نمود. اين مشخصات مي تواند با استانداردهاي عملي متفاوت باشد. طول عمر مورد انتظار يك ژنراتور نيز جزء اين مشخصات است كه معمولاً حدود 200000 ساعت در طول 10000 دوره روشن و خاموش شدن مي باشد. ضمناً اين مقادير در طراحي استفاده مي شوند. به عنوان مثال بوجود آمدن تركها بر اثر خستگي به اين مقادير خاص بستگي دارد.

استانداردهاي متداول را مي توان به شرح زير برشمرد:

1-34 IEC : ماشينهاي برقي دوار- مقادير نامي و مشخصات

2- 34 IEC: ماشينهاي برقي دوار- روشهاي تعيين تلفات و راندمان با استفاده از تست

3-34IEC : مقادير نامي و مشخصات ماشينهاي نوع توبيني سه فاز 50 هرتز

4- 34 IEC : روشهاي تعيين كميات ماشينهاي سنكرون با استفاده از تست

6-34 IEC : روشهاي خنك سازي ماشينها دوار

4999 BS : احتياجات عمومي ماشينهاي برقي داور

4999 BS قسمت 106: تقسيم بندي روشهاي خنك سازي

4999 BS قسمت 101: مشخصات مربوط به مقادير نامي و خصوصيات

4999 BS : قسمت 142: خصوصيات مكانيكي- ارتعاشي

4999BS قسمت 109: حدود نويز

4999 : BS مشخصات ماشينهاي الكتريكي دوار نوع خاص و براي كاربردهاي خاص

5000BS قسمت 2: ماشينهاي نوع توربيني

2757 BS : تقسيم بندي مواد عايقي براي ماشينهاي برقي

5500 BS : مشخصات دريچه هاي فشار با جوش امتزاجي[7] ضد آتش

601 BS : ورقه هاي فولادي براي مدارهاي مغناطيسي ادوات برقي قدرت

1433 BS : مس براي مقاصد برقي و ميله و شمش

3906 BS : هيدروژن تحت فشار الكتروليتي

استاندارد ESI 447: تست كردن سيستم عايقي ميله ها

 

فصل دوم

تئوري ژنراتور سنكرون

به منظور فهم بهتر موضوعهايي كه در قسمت انتهايي اين فصل به تفصيل آمده است ، در اين قسمت بعضي از اصول اساسي تئوري طراحي ژنراتورهاي سنكرون آورده مي شود.

2-1 القاء الكترومغناطيسي

در يك ژنراتور سنكرون كه روتور آن با سرعت ثابت مي چرخد ، ولتاژ لحظه اي القاء شده در يك هادي استاتور متناسب با چگالي فلوي مغناطيسي كه هادي در آن قرار دارد ، مي باشد.

(2-1)

كه در آن :

e : ولتاژ القاء شده لحظه اي در طول هادي برحسب ولت

: نرخ تغييرات چگالي فلوي مغناطيسي برحسب تسلا بر ثانيه

I : طول هادي واقع شده در ميدان

K : مقدار ثابت

مي باشد. به منظور عملكرد سنكرون ژنراتور در يك شبكه انتقال انرژي AC ، ولتاژ القايي بايد بصورت سينوسي با زمان تغيير نمايد. بدين لحاظ بايد تغييرات چگالي فلوي مغناطيسي نيز به صورت سينوسي باشد. اين امر بوسيله آرايش مناسب كلاف هاي روتور تحقق مي يابد به نحوي كه فلو داراي چگالي تقريباً سينوسي در اطراف محيط روتور باشد. با چرخش روتور در داخل استاتور ، در هادي هاي استاتور (به علت واقع شدن در يك محيط با چگالي فلوي سينوسي) ، ولتاژ سينوسي القاء مي گردد (رجوع شود به شكل 2-1)

شكل 2-1 توليد ولتاژ سينوسي

اندازه چگالي فلوي مغناطيسي را كه عامل تعيين كننده در مقدار ولتاژ القائي در هادي هاي استاتور مي‌باشد، مي توان با تغيير جريان اعمال شده به كلافهاي سيستم تحريك واقع بر روي روتور تنظيم نمود.

2-2 سرعت ، فركانس و زوج قطبها

ارتباط بين سرعت ، تعداد زوج قطبها و فركانس ولتاژ توليدي به صورت زير بيان مي گردد:

(2-2f=pn (

كه در آن :

f: فركانس برحسب هرتز

n : سرعت چرخش برحسب دور بر ثانيه

p : تعداد زوج قطبها

روتورهاي ژنراتورهاي 50 هرتز از نوع استوانه اي داراي دو قطب مي باشد و در سرعت 3000 دور بر دقيقه مي چرخند در نوع چهار قطب كه كمتر متداول است ، سرعت چرخش برابر با 1500 دور بر دقيقه مي‌باشد. روتورهاي با قطب برجسته معمولاً داراي قطبهاي بيشتري (بيش از چهار قطب) بوده و بعنوان مثال توربين ژنراتورهاي هيدروليكي Dinorwig [8] داراي 12 قطب مي باشند كه در سرعت 500 دور بر دقيقه مي چرخند. ژنراتورهايي كه فركانس ديگري را توليد مي كند در كاربردهاي خاص مورد استفاده واقع مي‌شوند. به عنوان مثال برخي از سيستم هاي تحريك داراي منبع تغذيه با فركانس 150 يا 400 هرتز مي‌باشند.

2-3 بار، مقادير نامي و ضريب توان

مقاديري كه در اين قسمت براي ولتاژها و جريانها آورده مي شوند همگي مقادير موثر هستند مگر اينكه صراحتاً عنوان گردند.

روابط ولتاژ و جريان در يك ژنراتور AC تكي بوسيله ماهيت بار تعيين مي گردد. براي يكبار غير مقاومتي ولتاژ و جريان ژنراتور هم فاز نيستند.

ظرفيت خروجي نامي يك ژنراتور تك فاز با حا صلضرب جريان نامي در ولتاژ نامي برابر است و بر حسب ولت آمپر (VA) ، كيلو ولت آمپر (KVA) و يا مگا ولت آمپر (MVA) بيان مي شود. توان اكتيو نامي خروجي ژنراتور با حاصلضرب ظرفيت نامي در ضريب توان نامي برابر است و برحسب وات، كيلووات (KW) يا مگاوات (MW) سنجيده مي شود.

توان اكتيو نامي يك ژنراتور سه فاز سه برابر حاصلضرب ولتاژ نامي فاز، جريان نامي فاز و ضريب توان مي باشد. همه ژنراتورهاي CEGB داراي اتصال ستاره مي باشند و لذا داريم:

ولتاژ خط =ولتاژ فاز

جريان خط=جريان فاز

بنابراين ظرفيت برحسب MVA برابر است با:

ولتاژ خط نامي×جريان خط نامي×^6-10

و همچنين ظرفيت برحسب مگاوات برابر است با:

نام MW=نامي MVA×ضريب توان نامي

مقادير نامي در شبكه فعلي CEGB براي توربين ژنراتورهاي بزرگ به قرار زير است: 660 مگاوات، ضريب توان 85/0 پس فاز، ولتاژ نامي 23500 ولت ، سه فاز با فركانس 50 هرتز.

بنابراين ظرفيت نامي برحسب MVA برابر است با

و جريان خط نامي برابر است با: آمپر

ظرفيت خروجي با MCR كه همان ظرفيت پيوسته ماكزيمم[9] است مشخص مي شود كه و بدان معني است كه ژنراتور قادر نيست اضافه بار پيوسته اي را تضمين نمايد. استانداردها تحمل اضافه جريان در مدت خيلي كوتاه و تغييرات قابل قبول در ولتاژ و فركانس را مشخص مي نمايند. طبق قرارداد در فشار هيدروژن بالاتر برخي اضافه بارهاي بيشتر از مقدار نامي امكان پذير است.

اگر چه حداقل ضريب توان در شبكه CEGB برابر با 85/0 پس فاز مشخص شده است، ژنراتورها در ضريب توان 9/0 و يا بالاتر كار مي كنند و همين امر به ما اجازه مي دهد كه عملكرد در توان نامي بالاتر را داشته باشيم به شرط اينكه توربين بتواند توان اضافي را تامين نمايد. ولي در هر حال حد توان اكتيو همان حد MVA نامي است.(رجوع شود به شكل 2-2)

2-4 MMF ، فلوي مغناطيسي

عبور جريان مستقيم از هادي هايي كه به دور قطبهاي روتور پيچيده شده اند سبب ايجاد يك آهنرباي الكتريكي در روتور مي گردد كه نتيجتاً يك نيروي محركه مغناطيسي (MMF) خواهيم داشت. اين نيرو را مي توانيم تحت عنوان نيروي رانش فلوي مغناطيسي بناميم. مقدار MMF بستگي به ماكزيمم چگالي فلو جهت توليد ولتاژ لازم و همچنين به رلوكتانس مدار مغناطيسي دارد. مدار مغناطيسي از مسيرهاي با رلوكتانس كم در آهن روتور و استاتور و همچنين مسير با رلوكتانس بالا در درون فاصله هوائي تشكيل شده است. رلوكتانس فاصله هوائي نسبتاً ثابت است اما رلوكتانس مسير آهني با افزايش چگالي فلو افزايش مي‌يابد كه در اين حالت اشباع آهن را بدنبال خواهد داشت.

شكل 2-2 عملكرد در مگاوات و ضريب توان بالا

2-5 فازورهاي دوار

اگر مقدار لحظه اي يك ولتاژ سينوسي را 7 بناميم رابطه زير را خواهيم داشت:

(2-3 )

كه در اين رابطه V نشان دهنده ماكزيمم ولتاژ v و f فركانس برحسب هرتز است. به همين ترتيب اگر يك فازور با دامنه ثابت v را با سرعت ثابت بچرخانيم رابطه مشابهي را بدست خواهيم آورد (رجوع شود به شكل 2-3).

شكل 2-3 فازورهاي دوار

در لحظه t ، هنگامي كه فازور در زاويه قرار دارد مقدار v برابر است با كه همان تصوير V بر محور عمود است.

در يك ماشين سنكرون ، همه كمياتي كه تغييرات سينوسي دارند (ولتاژ ، جريان و غيره) را مي توان بوسيله فازورهايي كه در سرعت ثابت سنكرون مي چرخند نشان داد. يك دياگرام فازوري را مي توان به صورت مجموعه اي از فازورها در نظر گرفت كه با رابطه مشخصي نسبت به يكديگر همگي با سرعت مساوي مي چرخند. در يك ماشين سه فازبا خروجي متعادل ، شرايط يك فاز را مي توان عيناً مانند فازهاي ديگر و با 120 درجه اختلاف فاز در نظر گرفت. به منظور روشن شدن بحث معمولاً يك فاز را انتخاب كرده و فازورهاي اين فاز را بعنوان نماينده ديگر فازها در نظر مي گيريم.

 

 

2-6 دياگرام هاي فازوري

2-6-1 ولتاژ نامي ، استاتور بدون جريان ، شرايط مدار باز

فرض كنيم يك فاز ولتاژ را با فازور V (رجوع شود به شكل 7-6) در نظر بگيريم. از آنجا كه ولتاژ مشتق تغييرات چگالي فلو مي باشد، بنابراين فازور B به اندازه 90 درجه با فازور ولتاژ اختلاف فاز دارد. همچنين MMF كه با F نشان داده شده است با فازور B هم فاز است.

شكل 2-4 فازورها در شرايط مدار باز

2-6-2 ولتاژ نامي، جريان استاتور نامي و ضريب توان نامي

اگر ضريب توان رابا نشان دهيم ، زاويه بين فازورهاي ولتاژ و جريان است ، همانطور كه در شكل 2-5 براي يك ضريب توان پس فاز نشان داده شده است. جريان چرخشي در سيم پيچي استاتور سبب افت ولتاژ مقاومتي به اندازه RI و افت راكتيو برابر با IX_Lناشي از راكتانس پراكندگي X_L مي گردد. افت ولتاژ RI هم جهت با I و افت ولتاژ IX_L، 90 درجه با جريان تاخير فاز دارد. از آنجا كه مقدار R عملاً ناچيز است ، افت مقاومتي را مي توان صرفنظر نمود. با توجه به دياگرام، فازور ولتاژ داخلي برابر با E بايد در سيم پيچي استاتور توليد گردد به نحوي كه پس از كسر (بصورت فازوري) افت پراكندگي، ولتاژ ترمينال ژنراتور برابر با V گردد.

شكل 2-5 دياگرام فازوري براي شرايط بارداري

به منظور توليد E ، چگالي فلوي B_e لازم است. بدين ترتيب مثلث فازورهاي ولتاژ، فلو و MMF همگي به هم شبيه هستند. مفهوم فيزيكي اين مطلب بعداً تشريح خواهد شد. جريان در سيم پيچي سه فاز استاتور، MMF مختص به خود را توليد مي كند كه آن را F_d مي ناميم. MMF معادل F را بايد فراهم نمود به نحوي كه پس ازكسر نمودن F_d از آن ، MMF برابر با F_e را نتيجه دهد. بدين منظور ، جريان سيم پيچي روتور را افزايش مي دهيم (همانطوريكه در شكل نشان داده شده است). روتور بايد مطابق شكل به اندازه زاويه جلوتر از محور اتصال باز باشد.

اثر ضد مغناطيس كنندگي جريان سيم پيچي استاتور را عكس العمل آرميچر مي ناميم. همانطوريكه در شكل نشان داده شده است ، تاثير عكس العمل آرميچر مشابه تاثير افت پراكندگي است (البته داراي افتي به مراتب بيشتر از افت پراكندگي). به منظور نشان دادن اين دو (عكس العمل آرميچر و افت پراكندگي)، راكتانس سنكرون را به صورت مجموع دو راكتانس تعريف مي نماييم كه در دياگرام IX_d به IX_L اضافه شده است.

با بدتر شدن ضريب توان پس فاز، (يعني كمتر و بزرگتر) ميزان MMF لازم (F) جهت ايجاد توازن بيشتر مي گردد و اين به معني لزوم افزايش جريان در سيم پيچي روتور است (رجوع شود به شكل a 2-6 ). بالعكس چنانچه ضريب توان به يك نزديكتر شود و يا پيش فاز گردد، جريان تقدمي تر مي‌گردد و ملاحظه مي گردد كه بايد جريان روتور را كاهش داد (شكل b2-6 ).

شكل 2-6 دياگرام فازوري براي بارهاي پيش فاز و پس فاز

2-7 گشتاور

گشتاور مكانيكي اعمالي با گشتاور الكترومغناطيسي توليدي ماشين به توازن مي رسند. گشتاور الكترومغناطيسي توليدي ناشي از عملكرد متقابل فلوي مغناطيسي و جريان جاري در سيم پيچي استاتور است.

محور روتور بايد طوري طراحي شود كه بتواند گشتاور اعمالي را به روتور منتقل نمايد و استاتور بايد عكس العمل مشابهي داشته باشد. در عمل طراحي طوري انجام مي شود كه ماشين بتواند گشتاورهاي بالاتري را كه در شرايط خاص خطا بوجود مي آيند تحمل نمايد.

2-8 سيم پيچي سه فاز

صرفنظر از اختلاف فاز 120 درجه بين فازها ، ولتاژها و جريانهاي توليدي در هر سه فاز بايد با هم مشابه باشند تا از صدمات ناشي از عدم تعادل فازها جلوگيري شود.

در اين قسمت و قسمت بعدي بخاطر سادگي موضوع ، ژنراتورها را به صورت دو قطبي در نظر مي‌گيريم. در يك ماشين n2 قطبي ، يك قسمت دو قطبي از ماشين دقيقاً n بار تكرار مي شود و بنابراين ماشين n2 قطبي از نظر الكترومغناطيسي معادل يك ماشين دو قطب است.

در يك طراحي اقتصادي ، چندين هادي بصورت سري با هم در سيم پيچي استاتور قرار دارند. بنابراين ولتاژهاي توليدي اين هادي ها با هم جمع مي شوند. هر هادي "رفت" به يك هادي "برگشت"متصل است و اين دو هادي تحت تاثير دو قطب مخالف هستند. به همين ترتيب هادي سوم كه در مجاورت هادي اول قرار دارد و هادي هاي ديگر يك فاز. هادي هاي رفت و هادي هاي برگشت از نظر مكاني در يك لايه كه به صورت شعاعي جابجا شده اند قرار دارند. آرايش معمولي و اقتصادي بدين صورت است كه هادي هاي يك فاز يك ششم محيط استاتور را اشغال كند و قسمت ديگري بصورت موازي از همان فاز در موقعيت قطري مخالف قرار گيرد (رجوع شود به شكل 2-7).

2-9 هامونيك ها: سيم پيچي توزيع شده و كسري

يك ژنراتور با روتور استوانه اي داراي يك روتور دايره اي است كه قادر نيست (به خاطر يكنواخت بودن رلوكتانس فاصله هوائي) چگالي فلوي مغناطيسي سينوسي ايجاد نمايد. روتورهاي قطب برجسته در ژنراتورهاي كم سرعت قادرند فلوي سينوسي ايجاد نمايند.

شكل2-7 آرايش هادي هاي استاتور

تغييرات دانسيته فلوي مغناطيس در يك توربين ژنراتور داراي فرم پله اي مي باشد (شكل 2-8 ) كه داراي يك مولفه اصلي و هارمونيكهاي فرد با دامنه قابل توجه است. نتيجتاً ولتاژ القائي نيز هارمونيك هاي غير قابل قبولي را در بردارد.

شكل 2-8 شكل موج پله اي نيروي محركه مغناطيسي

در سيم پيچي با هادي هاي سري شده كه چندين شيار مجاور را در محيط استاتور اشغال مي نمايد، ولتاژ القاء شده در يك هادي با ولتاژ القاء شده در هادي اي كه در شيار مجاور قرار دارد، داراي يك اختلاف فاز مي باشد كه برابر زاويه الكتريكي بين دو شيار است ( در شكل 2-9).

اگر n ولتاژ به شرح فوق با هم سري شوند جمع اين ولتاژها برابر است با:

فرد n(2-4) براي

زوج n (2-5) براي

نسبت اين ولتاژ به nV (جمع ساده ولتاژهاي n هادي سري) را ضريب توزيع مي گويند (K_d). اين نسبت همواره كمتر از 1 است.

شكل2-9 تاثير توزيع سيم پيچي استاتور در چندين شيار

تاثير توزيع هادي ها بر هارمونيك سوم ولتاژ اين است كه اختلاف ولتاژ القائي در دو هادي در دو شيار مجاور 3 برابر زاويه الكتريكي بين دو شيار است. بنابراين جمع ولتاژهاي هارمونيك سوم برابر است با:

(2-6)

بنابراين، نتيجه هارمونيك سوم ولتاژ شديداً كاهش مي يابد. اين بحث در هارمونيك هاي بالاتر مي‌تواند بصورت موثرتر اعمال شود.

اثر ديگري نيز، كه به نحوي با توزيع هادي مشابهت دارد، تحت عنوان كسري كردن هادي ها در عمل متداول است. در اين نوع سيم پيچي ، هادي برگشت در يك زاويه الكتريكي كمتر از 180 درجه نسبت به هادي رفت قرار دارد. اگر نشان دهنده تفاوت زاويه هاي رفت و برگشت نسبت به 180 درجه باشد (شكل 2-10) ضريب گام K_p< را به صورت زير تعريف مي كنيم:

(2-7)

شكل 2-10 تاثير كسري كردن گام سيم پيچي استاتور

كه نشان دهنده ميزان تضعيف در ولتاژ القائي در اين دو هادي نسبت به هادي هاي با گام كامل است. بنابراين در حالات معمول سيم پيچي توزيع شده با گام كسري ، ولتاژ توليدي برابر است با:

(2-8)

در اين حالت محتواي هارمونيكي در حد قابل قبولي است و چگالي فلوي مغناطيسي پله اي، ولتاژي با مولفه اصلي تقريباً سينوسي بوجود مي آورد.

فصل سوم

روتور و استاتور

3-1 سيم پيچي روتور

براي سيم پيچي روتور هنگامي كه از مقاطع ذوزنقه اي استفاده مي شود ابعاد مختلفي از شيار مورد استفاده قرار مي گيرد .

در عمل يك يا دو دور سيم پيچي در عرض شيار جا سازي مي شوند و شيارهايي كه در جهت شعاعي واقع شده اند مسير خروج گاز خنك كن را تامين مي نمايند.(رجوع شود به شكل 3-1)

به منظور عدم جلوگيري از نشت هيدروژن ، درزگير مناسب روي اين پرچ ها روي محور روتور فراهم شده است .ميله هاي D شكل نهايتا به حلقه هاي لغزان (يا اتصالات تحريك كننده واقع بر روي شافت در ماشين هاي بدون جاروبك ) متصل شده اند .(رجوع شود به شكل 3-1)

جهت اين جريان به صورت شعاعي از طريق نگهدارنده ها به سمت فاصله هوايي است. پنكه هاي سوار شده بر روي روتور سبب چرخش هيدروژن از طريق استاتور مي شوند كه به جريان طبيعي موجود در روتور كمك مي كنند .(رجوع شود به شكل 3-2)

شكل 3-1 سيم بندي روتور

شكل 3-2 پنكه (دمنده ) روتور

3-2 دمنده ها

دمنده ها سبب ايجاد چرخش هيدروژن در استاتور و خنك كننده ها مي گردند . دمنده هاي يكساني در دو انتهاي محور نصب شده اند كه هر كدام سبب خنك سازي نيمي ازطول محور مي گردد . دمنده ها يا از نوع گريز از مركز بوده و داراي تعداد زيادي دريچه با ساختار حلقوي هستند و يا از نوع محوري مي‌باشند . دريچه ها به صورت جداگانه روي محور پيچ شده اند (رجوع شود به شكل 3-3)

قطر خارجي پره ها ممكن است از بدنه استاتور بيرون زده شود كه در اين صورت لازم است بعد از جاسازي روتور پره ها نصب گردند. ورودي و خروجي داراي شرايط ايده آل نيستند و به منظور كاهش جريان چرخش سيار ، پره هاي ساكن هدايت كننده بايد نصب گردند.به هر حال راندمان دمنده پايين است . كاهش نويز صوتي مسئله عمده اي محسوب نمي شود زيرا حجم زياد بدنه استاتور يك عايق مناسب صوتي محسوب مي شود.

شكل 3-3 دمنده محوري روي روتور

3-3 هسته استاتور

ذكراين نكته مهم است كه ساختار سر هم شده هسته نبايد داراي هيچگونه رزونانسي در حوالي فركانس تحريك باشد . تلفات هيسترزيس و فوكو بخش عمده اي از تلفات هسته را شامل مي شود . در طراحي ژنراتورهاي انگليسي ، حرارت ايجاد شده بوسيله هيدروژن كه در كانال ها و سوراخ هاي محوري ايجاد شده در هسته به چرخش در مي آيد و به بيرون هدايت مي گردند. ( رجوع شود به شكل 3-4)

شكل 3-4 خنك سازي استاتور

3-4 سيم پيچ استاتور

از هر يك از مجراها شيلنگ هاي قابل ارتجاع از نوع PTFE به تمام مجراهاي ورودي ميله هاي هادي استاتور متصل شده است و آب را به درون ميله ها هدايت مي نمايد .

در طراحي نوع دو مسيره ، آب به هر دو لوله وارد شده و پس از عبور از داخل ميله هاي هادي در طرف ديگر مجددا از دو انتهاي متصل شده به يكديگر خارج شده و به شيلنگ هاي مشابهي كه در آن طرف متصل شده اند وارد مي شود. اين شيلنگ ها به نوبه خود به مجراهاي خروجي آب متصل مي شود . در اين نوع طراحي تعداد شيلنگ ها به حداقل مي رسد ولي ميزان فشار آب در سيم پيچ ها بايد بالاتر باشد.(رجوع شود به شكل 3-5)

شكل 3-5 قطعات سيستم خنك كنننده آبي سيم پيچي استاتور

 

فصل چهارم

سيستمهاي خنك كن

ميزان حرارت دفع شده بوسيله تشعشع و هدايت و از طريق بدنه ناچيز است. در برخي نيروگاهها، عمده تلفات ژنراتور و سيستم تحريك به آب تغذيه سيستم بويلر منتقل مي شود. اين كار عملاً بوسيله مبدلهاي حرارتي انجام مي گردد. اگر چه اين روش ، روش اقتصادي است ولي سيستم را پيچيده تر مي كند و در اغلب نيروگاههاي مدرن از اين روش استفاده نمي شود.

4-1 خنك كن هيدروژني

هيدروژن داراي مزاياي متعددي نسبت به هوا در ارتباط با دفع حرارت از توربين ژنراتورها مي باشد:

• چگالي هيدروژن از تمامي گازها كمتر بوده و حدوداً برابر يك چهاردهم چگالي هوا مي باشد. حتي در فشارهاي نامي (4 يا 5 بار) و با مقدار قابل قبولي از ناخالصي هاي گازي در هيدروژن هنوز چگالي هيدروژن نصف هوا در فشار و دماي طبيعي است (NTP). به همين دليل استفاده از هيدروژن مزاياي زيادتري نسبت به هوا دارد زيرا اگر از هوا بعنوان سيال خنك كن استفاده شود تلفات چرخش هوا در اطراف روتور و همچنين در اطراف پنكه ها و مسيرهاي عبور خنك كن سبب ايجاد تلفات زيادي مي شود.
• قابليت انتقال حرارت هيدروژن در شرايط مشابه دو برابر هواست. همچون گازهاي ديگر، افزايش فشار سبب افزايش انتقال حرارت مي گردد. همچنين هدايت گرمائي هيدروژن چندين برابر هواست كه مجموعاً سبب مي گردد كه دفع حرارت از سطوح تا حدود 10 برابر موثرتر است و سبب كاهش دما مي‌گردد. خنك كننده ها نيز به مراتب كوچكتر هستند.
• استفاده از هيدورژن، نيازمند به كنترل شرايط و درزگيري واقعاً كامل است كه سبب مي شود شرايط الكتريكي بدون هرگونه نقصي فراهم شد.
• از همه موارد مهمتر اين است كه تخريب عايق بوسيله فرآيند اكسيد شدن در مجاورت هيدروژن اتفاق نمي افتد. معايب استفاده از هيدروژن به شرح زير است:
• از آنجا كه غلظتهاي 4 الي 76 درصد هيدروژن در هوا قابل انفجار است، لذا بايد جلوي خروج هيدروژن از بدنه و ورود به هوا را گرفت. بدنه و حفاظ ها داراي ساختمان محكم و ضد نشت مي‌باشند. لذا نهايتاً وسواس و موشكافي بيشتري هنگام جوشكاري بعمل مي آيد. از نفوذ و پخش هيدروژن از كليه مجراهاي خروجي بايد به دقت جلوگيري نمود و درزگيري كامل باشد كه اين كار مستلزم يك سيستم درزگيري پيچيده در مجراهاي خروجي مي باشد.

 

[1]-Cylindrical Rotor

[2]-Reciprocal

[3]- Steam Turbines

[4]- Iterchangeability

[5]-phase unbalace

[6]- Tolerances

[7]-Fusion welded

[8]- نام نيروگاهي در انگلستان

[9]-MCR: Maximum Contioous Rating